Сила света: как в Сколтехе развивают фотонику
Если верен тезис о том, что лучшая технология - та, которая без остатка растворяется в повседневной жизни и незаметно для обывателей улучшает ее, то фотоника, без сомнения, относится к списку таких технологий. Большинство из нас, не понимая сути фотонных технологий, с удовольствием пользуется их производными. Уже сейчас треть продукции в мире производится с применением фотоники
«Я как-то подсчитал, что в быту нас окружает с полсотни светодиодов, не считая всего остального, что имеет прямое отношение к фотонике, - рассказывает Sk.ru Ильдар Габитов, директор Центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий. - Они есть в мобильных телефонах, компьютерах, осветительных приборах, кухонной технике и так далее. Примерно 35% всей мировой продукции производится с использованием фотонных технологий, то есть тех, где поток фотонов (свет) используется подобно электронам в электронике. Без света было бы невозможно и зарождение жизни на Земле, и существование современного общества с его сложнейшей информационной, финансовой и экономической структурой».
Нынешнее столетие характеризуется стремительным прогрессом в области разработки и внедрения технологий, основанных на фотонике. Это связано с тем, что электроника, основная движущая сила последних десятилетий, подходит к границам своих возможностей. Ильдар Габитов приводит такой пример: «В последние пять лет тактовая частота процессоров не растет, хотя остальные характеристики меняются: увеличивается количество ядер, появляются новые функциональные возможности компьютеров и программного обеспечения, и т.д. Почему так происходит? Это связано с повышением степени интеграции электронных устройств. На заре электроники ее основу составляли дискретные элементы: лампы, конденсаторы индуктивности, сопротивления и т.д. На смену лампам пришли транзисторы, дискретным цепям - микросхемы. В конце концов появились микропроцессоры, которые могут содержать порядка 1 млрд транзисторов, заключенных в очень маленьком объеме».
С одной стороны, увеличение степени интеграции сопровождалось колоссальным увеличением функциональных возможностей устройств, и телефон iPhone 5s, который помещается в кармане, на два порядка мощнее суперкомпьютера Cray-1, запущенного в 1976 г. в ядерном центре Лос-Аламоса. С другой стороны, столь высокая степень интеграции оборачивается серьезными проблемами. «Паразитные емкости и сопротивления, возникающие, если в маленький объем пометить множество элементов, связанных соединительными «проводами», препятствуют наращиванию тактовой частоты устройств. Второе ограничение связано с тем, что каждый элемент, заключенный в единице объема, выделяет тепло. По мере роста степени интеграции проблема разогрева становится все более актуальной, о чем не понаслышке знают в больших центрах обработки, данных. Для более эффективного охлаждения их зачастую строят на севере, а так же модернизируют под серверные станции отслужившие свое суда и запускают их в холодные воды. Но все это временные меры, существенного прогресса для решения проблемы отвода выделяющегося тепла таким образом не достичь. И, наконец, третья проблема связана с количеством электронов, участвующих в элементарных процессах, например, в переключении. В прошлом году был достигнут предел: приблизительно один электрон на элементарный акт».
Дальнейший прогресс возможен на основе совершенствования архитектуры процессоров, а также за счет использования иных физических носителей для передачи информации. «До 1980-х годов основой телекоммуникации были радиосвязь и электрические кабели, по которым информация передавалась в виде электрических импульсов. В качестве носителей информации в этом случае использовались электроны. По мере роста требований к пропускной способности телекоммуникационных систем по кабелю необходимо было передать все больше информации (электрических импульсов) за единицу времени. Основу электрического кабеля составляет металл, у которого есть такое свойство, как индуктивность. Другим важным параметром, характеризующим кабель, является удельная емкость. Эти свойства ограничивают объём передачи информации по кабелю, - разъясняет профессор Габитов. - Выход был найден на рубеже 1980-1990 годов, когда появилось оптическое волокно, которое тоже проводит сигнал, только не электрический, а световой. Выступая носителем информации, фотоны в оптическом волокне способны обеспечить передачу колоссальных объёмов информации. Изобретение оптических волокон высокой степени прозрачности и усилителей для компенсации потерь привело к революции в передаче информации».
Фотоника рассматривается как приоритетное направление развития науки и техники во многих странах (США, ЕС, Южная Корея, Китай). Там разрабатываются и разработаны государственные стратегические программы развития на 10 - 20 лет под флагом фотоники (об этом - чуть позже). Мировой рынок фотоники оценивают примерно в 500 млрд долларов. Европа формирует около 20% этого рынка, а в некоторых его важнейших секторах, например, освещении, доля европейского производства достигает 40%. По данным Виктора Беспалова, профессора Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, европейская фотоника дает рабочие места 290 тысячам человек, большинство из которых трудится на 5 тысячах малых предприятий этой отрасли. От фотоники непосредственно зависят 20-30% всей европейской экономики и 10 % всех работающих (это около 30 млн рабочих мест). Фотоника исключительно важна для решения многих социальных задач: выработки энергии и ее эффективного использования, обеспечения здоровой жизни стареющего населения, обеспечения безопасности, адекватного реагирования на изменения климата и др. Объем производства продукции фотоники в Европе растет со средней скоростью 8% в год. В британском правительственном докладе, озаглавленном «PHOTONICS: a UK strategy for success», говорится: «Есть все основания полагать, что вклад фотоники в мировое развитие в XXI веке будет столь же весомым и значительным, как электроники в XX веке и пара в XIX веке».
Бурное развитие фотонных технологий ограничено несколькими сдерживающими факторами. «Электрон заряжен, поэтому им можно управлять с помощью электрического или магнитного поля. Фотон же нейтрален, и управление им - большая проблема. Почему нет световых (оптических) компьютеров, и обработка информации до сих пор осуществляется электрическими средствами? Одна из основных причин - в отсутствии хороших механизмов для управления световыми потоками,- поясняет Ильдар Габитов. - Кроме того, фотон очень трудно «упаковать» в объем меньший, чем длина световой волны, это - порядка тысячи нанометров. В электронике ведутся исследования, направленные на освоение технологических масштабов в области 7 нанометров, Samsung и некоторые другие компании в настоящее время оперируют на шкале 15 нанометров. Иными словами, в единицу объема электронных устройств поместится значительно больше, нежели фотонных».
Обойти это препятствие пытаются в Центре фотоники и квантовых материалов Сколтеха, где создана лаборатория гибридной фотоники во главе с греческим исследователем Павлосом Лагудакисом. Идея состоит в том, чтобы вместо «чистых» фотонов использовать комплексы, связанные состояния (например, фотон и возбужденное состояние электрона - экситон) в неорганических, органических или гибридных полупроводниковых структурах. Такие связанные квантовые состояния медленнее фотона, но при этом и существенно меньше. Об этом рецепте в интервью Sk.ru подробно рассказывала исследователь Сколтеха Наталья Берлова, оперируя выражением «зоопарк частиц». Начавшийся процесс создания устройств фотоники высокой степени интеграции безо всякого сомнения приведет к драматическому увеличению их функциональных возможностей, полагают в Сколтехе. Прогнозирование спектра этих возможностей в настоящее время имеет весьма размытые перспективы; ситуация похожа на состояние 20 летней давности. В то время предсказание возможностей современных средств электроники было совершенно нереально.
Еще одно перспективное направление Центра - низкоразмерные системы (одномерные углеродные нанотрубки и графен). Как рассказывает Ильдар Габитов, «исследованиями в этом направлении занимаются научные группы под руководством приехавшего из Америки после многолетней работы в IBM Василия Перебейноса, прекрасного специалиста с отличным послужным списком, а также ксперта в области гибкой электроники Альберта Насибулина, вероятно, мирового чемпиона по «многоборью», совокупности рекордных значений параметров: электропроводности, прозрачности, эластичности и прочности»
В Финляндии профессор Насибулин вместе с инженерами Nokia создал дисплеи для партии телефонов на основе тонких пленок из углеродных нанотрубок. В Сколтехе команда Насибулина синтезирует и изучает свойства новых наноматериалов, главным образом, углеродных нанотрубок, которые могут найти свое применение в гибкой и эластичной электронике, при изготовлении сенсоров, дисплеев, солнечных батарей, для производства которых нужны проводящие и прозрачные пленки. Из такого материала можно делать как пассивные компоненты (проводники тока наноразмеров), так и активные, например, транзисторы и переключатели. «Мы закупили оборудование для этой лаборатории, оно монтируется, и, по-видимому, скоро будет день открытых дверей», - рассчитывает Ильдар Габитов.
Третья сфера деятельности Центра фотоники и квантовых материалов - метаматериалы и плазмоника. Профессор Габитов рассказывает: «Это сравнительно новое направление, возникшее около 10 лет назад в США и быстро распространившееся по миру. Оно предполагает создание и работу, во-первых, с материалами, обладающими уникальными рекордными характеристиками, во-вторых, с материалами со свойствами, которых не существует в природе, например, с отрицательным показателем преломления, и, в-третьих, с материалами, обладающими новыми функциональными возможностями либо сочетанием таких возможностей». Руководит этим направлением известный ученый Владимир Драчев. В свое время, работая в США, он отвечал за экспериментальные исследования в области оптики в команде другого выходца из России Владимира Шалаева, профессора американского университета Пердью и члена Консультативного научного совета Фонда «Сколково». Группа Шалаева первой в мире создала материал с отрицательным показателем преломления в оптическом диапазоне. Кроме того, в США Владимир Драчев сотрудничал с фармацевтическими компаниями и разработал технологию высокочувствительных детекторов, позволяющих отслеживать чистоту лекарств. Это направление исследований ученый будет развивать и в Сколтехе.
В сентябре 2014 года Наталья Берлова в беседе в Sk.ru назвала фотонику «первым большим научным проектом Сколтеха, обращенным вовне». Интервью Ильдара Габитова в марте 2016 года демонстрирует: проект успешно развивается. В лабораториях в Центре фотоники и квантовых материалов идет глубокая разноплановая исследовательская деятельность; рабочая группа Сколтеха, в том числе и профессор Габитов, участвует в написании проекта программы развития фотоники, которая, вероятно, будет рассмотрена ближайшим летом. «Мы потеряли много времени, в других странах фотоника за четверть века шагнула далеко вперед. Если мы будем медлить, то упустим технологический прорыв, связанный с фотоникой, как в свое время это было с электроникой. Шансы не отстать сохраняются, но надо немедленно включаться в этот процесс», - призывает собеседник Sk.ru, напоминая, что в США и в Европе национальные программы в области фотоники приняты на государственном уровне. Большое внимание фотонным технологиям уделяют в Японии, а также в Индии и Китае - там делают ставку на технологии, связанные с развитием солнечной энергетики и беспроводной передачи энергии.
Министерство науки и технологий Южной Кореи на фотонику ежегодно выделяет 30% всего госбюджета, направленного на науку. В Европе, согласно разработанному проекту программы действий «Photonics-PPP», с 2013 до 2020 года в развитие фотоники будет вложено 7 млрд евро, из которых 5,6 млрд даст бизнес, частный сектор, а 1,4 млрд - бюджет Еврокомиссии. Это должно создать от 70 до 100 тысяч новых рабочих мест в самой отрасли и 350 - 600 тысяч новых рабочих мест в европейской промышленности в целом.
Как видно из этих цифр, развитие фотонных технологий - предприятие, требующее не только времени, но и серьезных инвестиций. В качестве примера, основанного на опыте США, профессор Габитов приводит следующие данные: строительство, оснащение качественным оборудованием и операционные расходы хорошего наноцентра оценивается в 250 млн долларов. Доля нанофотоники может составлять до трети этой суммы. «Наивно полагать, что мы сможем достичь быстрого и заметного успеха во всех областях фотоники. Необходимо скоординировать усилия и понять, на чем именно следует сосредоточить усилия. Многозадачная программа развития фотоники будет успешной, если нам удастся правильно найти свое место, правильно распорядится ресурсами и правильно воспользоваться мировым опытом. Имеет смысл в той или иной мере перенять китайский подход (китайцы набираются опыта в других странах, а потом переносят к себе), а также на новом уровне возродить хорошо работавшие элементы из советского прошлого, когда школа, университет, вся система образования была выстроена под выполнение конкретных и больших технологических задач. Программа развития фотоники должна охватывать и производство, и образование, и подготовку профессоров, и финансы, и научное приборостроение. Это очень сложная и комплексная задача, но без этого не получится. Чудес не бывает».
Источник: Сколково
Автор: Дмитрий Мунгалов